Проектирование аналоговых устройств
Министерство образования Российской Федерации
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)
Кафедра радиотехники и защиты информации (РЗИ)
УТВЕРЖДАЮ
Заведующий кафедрой РЗИ
____________В.Н. Ильюшенко
___ _________ 2000 г.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ УСТРОЙСТВ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к курсовому проектированию по дисциплине «Схемотехника аналоговых электронных устройств» для студентов специальностей 200700 «Радиотехника»
и 201600 «Радиоэлектронные устройства»
Разработчик
________А.С.Красько
___ ________2000 г.
2000
Содержание
1Введение………………………………………………………..……………….3
2 Задачи курсового проектирования…………………………..………………..3
3 Расчет структурной схемы усилителя………………………..……………….5
3.1 Определение числа каскадов…………….……………………………….…5
3.2 Распределение искажений по каскадам……….……………………………6
4 Расчет оконечного каскада…………………………………………………….7
4.1Выбор транзистора………………..………………….……………………….7
4.2 Расчет требуемого режима транзистора………………….………………....8
4.3 Расчет эквивалентных параметров транзистора……………….……….…11
4.4 Расчет цепей питания и термостабилизации…………………………..…..12
4.5 Расчет основных характеристик выходного каскада в области
верхних частот (малых времен)…………………..………………………...14
4.6 Особенности расчета выходного фазоинверсного каскада………..……...16
4.7 Оценка нелинейных искажений………..…………………………………...17
5 Расчет предварительных каскадов……………………………………………18
5.1 Расчет промежуточных каскадов…………..……………………………….18
5.2Особенности расчета входного каскада……………………………………..22
6 Расчет усилителя в области нижних частот (больших времен)….………….24
7 Расчет регулировок усиления……………………………………….…………25
8 Некоторые общие вопросы проектирования…………………………………27
8.1 Выбор номиналов и типов элементов схемы………..……………………..27
8.2 Расчет результирующих характеристик……..……………………………..28
8.3 Оформление пояснительной записки……….…..………………………….28
9 Заключение……………………………………………………………………..29
Список использованных источников…….…………………………………...29
Приложение А Бланк задания на проектирование ШУ……………………….30
Приложение Б Бланк задания на проектирование ИУ………………………...31
Приложение В Варианты заданий на курсовое проектирование……………..32
Приложение Г Форма титульного листа пояснительной записки…………….33
Приложение Д Пример оформления содержания………………………………34
Приложение Е Пример оформления перечня элементов………………………35
Приложение Ж Пример оформления введения…………………………………36
Приложение И Пример оформления остальных листов ПЗ…………………..37
Приложение К Пример оформления реферата…………………………………38
1 ВВЕДЕНИЕ
Данное методическое пособие посвящено вопросам курсового проектирования усилительных устройств (УУ) как одного из классов аналоговых электронных устройств (АЭУ).
Проектирование УУ - многофакторный процесс, во многом зависящий от интуиции, знаний и опыта разработчика.
Это обстоятельство вызывает определенные трудности у начинающих разработчиков, к которым, собственно, и относятся студенты. Эти трудности усугубляются еще и тем, что учебная литература по курсовому проектированию УУ в значительной степени устарела, содержит много спорных моментов и взаимоисключающих выводов.
В данной разработке делается главный упор на рассмотрение непосредственных вопросов эскизного проектирования УУ, полагая, что необходимые теоретические сведения и практические навыки получены студентами на лекционных, практических и лабораторных занятиях.
Следует отметить, что одной из составляющих успешной работы над курсовым проектом является ритмичность. Для самооценки проделанной работы следует ориентироваться на приблизительные объемы основных этапов выполнения проекта:
¨ знакомство с литературой, выбор структурной схемы УУ - 10%;
¨ расчет оконечного каскада - 20%;
¨ расчет предварительных каскадов - 20%;
¨ полный электрический расчет УУ - 20%;
¨ расчет результирующих характеристик - 10%;
¨ оформление пояснительной записки - 20%.
2 ЗАДАЧИ КУРСОВОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
При проектировании УУ решают ряд задач, связанных с составлением схемы, наилучшим образом удовлетворяющей поставленным требованиям технического задания (ТЗ), с расчетом этой схемы на основании выбранных параметров и режимов работы ее элементов.
В данном пособии даются рекомендации по эскизному расчету широкополосных усилителей (ШУ) с порядка десятков мегагерц и импульсных усилителей (ИУ) с временем установления фронта импульса порядка десятков наносекунд, работающих в низкоомных согласованных трактах передачи и выполненных на биполярных транзисторах.
Режим согласования обычно предусматривает равенство внутреннего сопротивления источника сигнала, входного и выходного сопротивления УУ, сопротивления нагрузки волновому сопротивлению тракта передачи сигнала.
В ТЗ на расчет ШУ обычно задают коэффициент усиления по напряжению K, верхнюю и нижнюю граничные частоты и при заданных коэффициентах частотных искажений и , уровень нелинейных искажений, требования к стабильности характеристик в диапазоне температур и т.д.
Эскизный расчет ШУ состоит в выборе усилительного элемента, определении числа каскадов, распределении по каскадам частотных искажений так, чтобы их суммарная величина не превосходила заданную.
Предварительно частотные искажения распределяют по каскадам равномерно. В процессе расчета их обычно приходится перераспределять для ослабления требований к какому-либо каскаду, чаще всего к предоконечному.
Основное внимание при проектировании ИУ обращается на сохранение формы усиливаемого сигнала. Специфическими для ИУ являются искажения формы импульса, характеризующиеся временем установления фронта , выбросом переходной характеристики d и спадом плоской вершины D. Использование известной связи [1, 2] между и D и граничными частотами и позволяет проектировать ИУ частотным методом.
В настоящее время для целей проектирования УУ широко используются ЭВМ с различными пакетами программ схемотехнического проектирования. Однако первый этап машинного проектирования представляет собой ручной эскизный расчет, дающий приближенное решение поставленной задачи, уточнение которого проводится далее на ЭВМ.
3 РАСЧЕТ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ
3.1 Определение числа каскадов
Для многокаскадного усилителя (рис.3.1)
. (3.1)
где K - коэффициент усиления усилителя, дБ;
K- коэффициент усиления i-го каскада, дБ, i=1,...,n;
n - число каскадов усилителя.
С учетом коэффициента передачи входной цепи коэффициент усиления определится как:
,
где Е - э.д.с. источника сигнала;
R- внутреннее сопротивление источника сигнала;
R- входное сопротивление УУ.
Для ШУ диапазона ВЧ и ИУ с временем порядка десятков наносекунд ориентировочно число каскадов можно определить, полагая в (3.1) все каскады одинаковыми с К=20 дБ, т.е.
.
Для импульсных усилителей следует учитывать полярность входного, выходного сигналов и способ включения усилительного элемента. При часто используемом включении транзистора с общим эмиттером (ОЭ) число каскадов должно быть четным при одинаковой полярности входного и выходного сигналов, нечетным - при разной.
3.2 Распределение искажений по каскадам
Для многокаскадного ШУ результирующий коэффициент частотных искажений в области верхних частот (ВЧ) определяется следующим образом:
, (3.2)
где М-результирующий коэффициент частотных искажений в области ВЧ, дБ;
М - коэффициент частотных искажений i-го каскада, дБ.
Суммирование в выражении (3.2) производится (n+1) раз из-за необходимости учета влияния входной цепи, образованной R,R и С (см.рис.3.1).
Предварительно распределить искажения можно равномерно, при этом
В последующем, исходя из результатов промежуточных расчетов, возможно перераспределение искажений между каскадами.
Частотные искажения УУ в области нижних частот (НЧ) определяются следующим соотношением:
, (3.3)
где М - результирующий коэффициент частотных искажений в области НЧ, дБ;
М - искажения, приходящиеся на i-й элемент, дБ;
N - количество элементов, вносящих искажения на НЧ.
Количество элементов, вносящих искажения на НЧ (обычно это блокировочные в цепях эмиттеров и разделительные межкаскадные конденсаторы), становится известным после окончательного выбора топологии электрической схемы УУ, поэтому распределение искажений в области НЧ проводят на этапе расчета номиналов этих элементов. Из (3.3) следует, что при равномерном распределении низкочастотных искажений, их доля (в децибелах) на каждый из N элементов определится из соотношения:
На практике, с целью выравнивания номиналов конденсаторов, на разделительные конденсаторы распределяют больше искажений, чем на блокировочные.
Для многокаскадных ИУ результирующее время установления фронта равно:
, (3.4)
где - время установления для входной цепи;
- время установления для i-го каскада, i=1,...,n;
n - число каскадов усилителя.
Если результирующее установление фронта импульса для ИУ напрямую не задано, то оно может быть определено из следующего соотношения:
,
где - заданные искажения фронта входного сигнала;
